CN106712319A - 一种电动汽车磁共振式无线充电电路及其控制方法 - Google Patents

一种电动汽车磁共振式无线充电电路及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车磁共振式无线充电电路，包含基建侧部分和车载侧部分，其中，基建侧部分包含依次相连的第一整流滤波电路、高频逆变电路和一次侧串联谐振电路，一次侧串联谐振电路包括串联连接的发射线圈L1和交流电容C1，第一整流滤波电路与电网连接；车载侧部分包含依次相连的二次侧并联谐振电路、第二整流滤波电路、DC‑DC变换器，二次侧并联谐振电路包括并联连接的接收线圈L2和电子电容电路，DC‑DC变换器接车载动力电池。本发明所述电路，通过调节车载侧的电子电容电路实现磁共振式无线传输，无需通信功能且传输效率高，可应用到电动汽车无线充电领域。

Description

一种电动汽车磁共振式无线充电电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及电动汽车领域，特别涉及一种电动汽车磁共振式无线充电电路及其控制方法。
背景技术
近年来，随着全球电动汽车保有量的迅速增加，充电桩、充电站等电动汽车充电设备的需求也越来越大，目前电动汽车的充电方式主要是有线充电方式，但有线充电方式存在很多不足：充电设备引线过长；占地面积和占用空间大；人工操作繁琐，操作过程中会带来设备的过度磨损以及不安全性问题。电动汽车无线充电技术可以很好地解决上述问题，从而得到了广泛关注。
目前常见的电动汽车无线充电方案主要包括磁感应式无线充电和磁共振式无线充电。其中，磁感应式无线充电技术线圈间互感较大，近距离传输效率高，但整个系统对线圈的相对水平位移非常敏感，不适合用于远距离的无线充电。相比于磁感应式，磁共振式无线传输的电路拓扑具有调谐网络，能够实现互感补偿和频率调谐，可以实现中等距离电能传输，因此，近几年磁共振式无线充电成为电动汽车无线充电领域的研究热点。
发明内容
本发明的目的在于为了克服常规有线充电技术的不足，提出一种电动汽车磁共振式无线充电电路。
本发明的另一目的在于提供一种电动汽车磁共振式无线充电电路的控制方法。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
一种电动汽车磁共振式无线充电电路包括基建侧部分和车载侧部分，基建侧包含第一整流滤波电路、高频逆变电路和一次侧串联谐振电路；车载侧包含二次侧并联谐振电路、第二整流滤波电路和DC-DC变换器；
所述第一整流滤波电路的输入端连接至电网，用于将电网电压整流成直流电压；
所述高频逆变电路的输入端连接至所述第一整流滤波电路的输出端，用于将所述第一整流滤波电路输出的直流电压逆变为高频电压方波；
所述一次侧串联谐振电路的输入端连接至所述高频逆变电路的输出端；
所述二次侧并联谐振电路的输出端连接至所述第二整流滤波电路的输入端；
所述第二整流滤波电路的输入端连接至所述二次侧并联谐振电路的输出端，用于将所述二次侧并联谐振电路输出的交流电压整流成直流电压；
所述DC-DC变换器的输入端连接至所述第二整流滤波电路，用于将所述第二整流滤波电路的直流输出电压变换成车载动力电池充电所需的额定电压；
所述一次侧串联谐振电路与二次侧并联谐振电路对称设置，通过耦合实现电能的无线传输。
所述一次侧串联谐振电路包括依次串联连接的发射线圈L1和交流电容C1，连接至高频逆变电路的输出端；所述二次侧并联谐振电路包括并联连接的接收线圈L2和电子电容电路；连接至第二整流滤波电路的输入端；所述发射线圈L1与所述接收线圈L2通过高频磁共振方式，电能从发射线圈L1传递到接收线圈L2，所述一次侧发射线圈L1与二次侧接收线圈L2对称设置，通过耦合实现电能的无线传输。
所述电子电容电路包括第一MOSFET开关管、第二MOSFET开关管、第三MOSFET开关管、第四MOSFET开关管和直流电容C2；其中，第一MOSFET开关管的漏极与直流电容C2的正极相连，第一MOSFET开关管的源极与第三MOSFET开关管的漏极相连；第二MOSFET开关管的漏极与第一直流电容C1的正极相连，第二MOSFET开关管的源极与第四MOSFET开关管的漏极相连；第三MOSFET开关管的源极与直流电容C2的负极相连；第四MOSFET开关管的源极与直流电容C2的负极相连；电子电容电路的两端分别从第一MOSFET开关管的源极和第二MOSFET开关管的源极引出。
本发明的另一目的通过以下的技术方案实现：
一种基于上述的无线充电电路的控制方法，包括下述步骤：
S1、根据一次侧的发射线圈L1和交流电容C1，设置高频逆变电路初始工作角频率使得一次侧串联谐振电路工作在谐振状态；
S2、调节二次侧的电子电容电路，使得一次侧串联谐振电路和二次侧并联谐振电路工作在磁共振状态。
步骤S2中，所述调节二次侧的电子电容电路是通过移相角控制法实现的，具体如下：
(1)根据谐振角频率获得谐振工作点的电子电容电路的等效电容值Ceq2；根据获得控制关闭角α；
(2)由锁相环测得电压相位，采用移相角控制法控制所述电子电容电路，控制关闭角为α，控制电子电容电路的四个MOSFET开关管。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
本发明基于电磁共振和电子电容电路的等效原理，将电子电容电路等效为一个可变电容，根据不同车况，通过改变车载侧谐振电容等效值，实现一次侧谐振电路和二次侧谐振电路磁共振，提高充电效率；此方案无需要求基建侧和车载侧之间的通信，该电路不仅节约了经济成本，而且提高了效率，具有良好的市场前景和经济效益。
附图说明
图1是电动汽车磁共振式无线充电电路的建设方案图；
图2是电动汽车磁共振式无线充电的总体结构图；
图3是电子电容电路的控制图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明的具体实施方式作详细说明。
图1给出了本发明的电动汽车磁共振式无线充电电路的建设方案图，其中，基建侧和车载侧分离，基建侧安装在地面下方，发射线圈L1靠近地面，当车载侧的接收线圈L2处于发射线圈L1上方时，可进行无线充电。
图2给出了电动汽车磁共振式无线充电的总体结构图，基建侧包含第一整流滤波电路、高频逆变电路和一次侧串联谐振电路；车载侧包含二次侧并联谐振电路、第二整流滤波电路和DC-DC变换器；
其中，所述第一整流滤波电路的输入端连接至电网，用于将电网电压整流成直流电压；
其中，所述高频逆变电路的输入端连接至所述第一整流滤波电路的输出端，用于将所述第一整流滤波电路输出的直流电压逆变为高频电压方波；
其中，所述一次侧串联谐振电路的输入端连接至所述高频逆变电路的输出端；
其中，所述二次侧并联谐振电路的输出端连接至所述第二整流滤波电路的输入端；
其中，所述第二整流滤波电路的输入端连接至所述二次侧并联谐振电路的输出端，用于将所述二次侧并联谐振电路输出的交流电压整流成直流电压；
其中，所述DC-DC变换器的输入端连接至所述第二整流滤波电路，用于将所述第二整流滤波电路的直流输出电压变换成车载动力电池充电所需的额定电压。
其中，所述一次侧串联谐振电路包括依次串联连接的发射线圈L1和交流电容C1；所述发射线圈L1不与交流电容C1相连的一端与高频逆变电路输出端的负极相连，所述交流电容C1不与发射线圈L1相连的一端与高频逆变电路输出端的正极相连；所述二次侧并联谐振电路包括并联连接的接收线圈L2和电子电容电路，连接至第二整流滤波电路的输入端；所述发射线圈L1与所述接收线圈L2通过高频磁共振方式，电能从发射线圈L1传递到接收线圈L2。
其中，所述电子电容电路包括第一MOSFET开关管Q1、第二MOSFET开关管Q2、第三MOSFET开关管Q3、第四MOSFET开关管Q4和直流电容C2；其中，第一MOSFET开关管的漏极与直流电容C2的正极相连，第一MOSFET开关管的源极与第三MOSFET开关管的漏极相连；第二MOSFET开关管的漏极与第一直流电容C1的正极相连，第二MOSFET开关管的源极与第四MOSFET开关管的漏极相连；第三MOSFET开关管的源极与直流电容C2的负极相连；第四MOSFET开关管的源极与直流电容C2的负极相连；第一MOSFET开关管的源极连接至第二整流滤波电路的正输入端和接收线圈L2一端，第二MOSFET开关管的源极连接至第二整流滤波电路的负输入端和接收线圈L2另一端。
本发明控制方法的具体实施过程如下：
S1、根据一次侧的发射线圈L1和交流电容C1，设置高频逆变电路初始工作角频率使得一次侧串联谐振电路工作在谐振状态；
S2、调节二次侧的电子电容电路，使得一次侧串联谐振电路和二次侧并联谐振电路工作在磁共振状态。
所述S2中电子电容电路的控制方法采用移相角控制法，控制图如图3所示，具体步骤如下：
S21、根据谐振角频率获得谐振工作点的电子电容电路的等效电容值Ceq2；根据获得控制关闭角α，其中，C2为电子电容内直流电容值。
S22、由锁相环测得电压相位，采用移相角控制法控制所述电子电容电路，控制关闭角为α，控制电子电容电路的四个MOSFET开关管。
本发明电路的整个工作过程为：市电首先经过第一整流滤波电路将交流AC转化为直流电压，接着经过高频逆变电路输出高频电压方波，然后通过一次侧串联谐振电路实现一次侧高频谐振，根据不同的车况，调节车载侧的电子电容电路，使二次侧并联谐振电路同时实现谐振，从而将一次侧的电能高效地传输到二次侧，最后通过第二整流滤波电路和DC-DC变换器得到车载动力电池充电所需的充电电压给车载动力电池充电。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电动汽车磁共振式无线充电电路，其特征在于：包括基建侧部分和车载侧部分，基建侧包含第一整流滤波电路、高频逆变电路和一次侧串联谐振电路；车载侧包含二次侧并联谐振电路、第二整流滤波电路和DC-DC变换器；
所述第一整流滤波电路的输入端连接至电网，用于将电网电压整流成直流电压；
所述高频逆变电路的输入端连接至所述第一整流滤波电路的输出端，用于将所述第一整流滤波电路输出的直流电压逆变为高频电压方波；
所述一次侧串联谐振电路的输入端连接至所述高频逆变电路的输出端；
所述二次侧并联谐振电路的输出端连接至所述第二整流滤波电路的输入端；
所述第二整流滤波电路的输入端连接至所述二次侧并联谐振电路的输出端，用于将所述二次侧并联谐振电路输出的交流电压整流成直流电压；
所述DC-DC变换器的输入端连接至所述第二整流滤波电路，用于将所述第二整流滤波电路的直流输出电压变换成车载动力电池充电所需的额定电压；
所述一次侧串联谐振电路与二次侧并联谐振电路对称设置，通过耦合实现电能的无线传输。
2.根据权利要求1所述电动汽车磁共振式无线充电电路，其特征在于：所述一次侧串联谐振电路包括依次串联连接的发射线圈L1和交流电容C1，连接至高频逆变电路的输出端；所述二次侧并联谐振电路包括并联连接的接收线圈L2和电子电容电路；连接至第二整流滤波电路的输入端；所述发射线圈L1与所述接收线圈L2通过高频磁共振方式，电能从发射线圈L1传递到接收线圈L2，所述一次侧发射线圈L1与二次侧接收线圈L2对称设置，通过耦合实现电能的无线传输。
3.根据权利要求2所述电动汽车磁共振式无线充电电路，其特征在于：所述电子电容电路包括第一MOSFET开关管、第二MOSFET开关管、第三MOSFET开关管、第四MOSFET开关管和直流电容C2；其中，第一MOSFET开关管的漏极与直流电容C2的正极相连，第一MOSFET开关管的源极与第三MOSFET开关管的漏极相连；第二MOSFET开关管的漏极与第一直流电容C1的正极相连，第二MOSFET开关管的源极与第四MOSFET开关管的漏极相连；第三MOSFET开关管的源极与直流电容C2的负极相连；第四MOSFET开关管的源极与直流电容C2的负极相连；电子电容电路的两端分别从第一MOSFET开关管的源极和第二MOSFET开关管的源极引出。
4.基于权利要求1至3任一权利要求所述电动汽车磁共振式无线充电电路的一种电动汽车磁共振式无线充电电路的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1、根据一次侧的发射线圈L1和交流电容C1，设置高频逆变电路初始工作角频率使得一次侧串联谐振电路工作在谐振状态；
S2、调节二次侧的电子电容电路，使得一次侧串联谐振电路和二次侧并联谐振电路工作在磁共振状态。
5.根据权利要求4所述电动汽车磁共振式无线充电电路的控制方法，其特征在于：步骤S2中，所述调节二次侧的电子电容电路是通过移相角控制法实现的，具体如下：
(1)根据谐振角频率获得谐振工作点的电子电容电路的等效电容值Ceq2；根据获得控制关闭角α；
(2)由锁相环测得电压相位，采用移相角控制法控制所述电子电容电路，控制关闭角为α，控制电子电容电路的四个MOSFET开关管。
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